هدف اساسی فناوری خنک‌کننده مراکز داده، حفظ شرایط محیطی مناسب برای عملکرد تجهیزات فناوری اطلاعات (ITE) است. برای دستیابی به این هدف، باید گرمای تولید شده توسط ITE را از بین برد و آن را به یک سینک حرارتی منتقل کرد. در اکثر مراکز داده، بهره‌برداران انتظار دارند سیستم کولینگ دیتاسنتر به طور مداوم و قابل اعتمادی کار کند.
خوشبختانه، سیستم‌ها و فناوری‌های زیادی وجود دارد که می‌توانند به نظارت و مدیریت کولینگ دیتاسنتر برای حفظ دما و رطوبت در محدوده بهینه کمک کنند.
کولینگ دیتاسنتر چیست؟
دیتاسنترها از انرژی زیادی استفاده می‌کنند که به گرما تبدیل می‌شود. هر چه تجهیزات بیش‌تری در یک دیتاسنتر بسته‌بندی شود، گرمای تولیدشده بیش‌تر می‌شود. اصطلاح خنک‌کننده یا کولینگ دیتاسنتر به تجهیزات جمعی، ابزارها، سیستم‌ها، تکنیک‌ها و فرایندهایی اشاره دارد که درجه حرارت و رطوبت ایده‌آل را در یک دیتاسنتر تضمین می‌کند.
سیستم کولینگ مناسب دیتاسنتر تضمین می‌کند که کل یک مرکز با خنک‌کننده، تهویه و کنترل رطوبت کافی تامین می‌شود تا همه تجهیزات را در محدود دمایی مورد نظر نگه دارد. در واقع کولینگ دیتاسنتر در استانداردهای دیتاسنتر از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.
چرا کولینگ دیتاسنتر از اهمیت بالایی برخوردار است؟
درجه حرارت و رطوبت بالا شرایطی نامطلوب برای تجهیزات IT و الکتریکی است. اکثر دستگاه‌ها و تجهیزات فناوری اطلاعات گرما تولید می‌کنند و باید به‌سرعت خنک‌سازی شوند تا عملکرد آن‌ها تحت تاثیر قرار نگیرد. گرما و رطوبت بیش‌ازحد می‌تواند به دستگاه‌ها و تجهیزات آسیب برساند و باعث خرابی و از کار افتادن آن‌ها شود.
تجهیزات آسیب‌دیده می‌تواند به خطر آتش‌سوزی و سایر مسائل ایمنی منجر شود. این خطرات هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد زیرا تجهیزات باید به‌طور مرتب تعمیر یا تعویض شوند.
از آنجایی که اکثر دیتاسنترهای تجهیزات کلاس A1 و A2 را مستقر می‌کنند، مدیران تاسیسات باید اطمینان حاصل کنند که سیستم‌های خنک‌کننده آن‌ها به وظیفه خود عمل می‌کنند. خرید تجهیزات اضافی یا به‌روز برای تامین نیازهای خنک‌کننده توضیح می‌دهد که چرا کارشناسان پیش‌بینی کردند که ارزش بازار خنک‌کننده دیتاسنتر ایالات متحده تا سال 2025 به بیش از 3.5 میلیارد دلار برسد.
خنک‌کننده دیتاسنتر چگونه کار می‌کند؟
کولینگ دیتاسنتر با حذف گرمای اضافی از هوا و جایگزینی آن با هوای خنک‌تر عمل می‌کند. این کار معمولا به یکی از چندین روش زیر انجام می‌شود:
- تهویه هوای گرم به بیرون و سپس وارد کردن هوای بیرون، خنک کردن و به جریان انداختن آن در تاسیسات.
- بازیافت هوای داخلی با خنک کردن آن، معمولا از طریق طراحی راهروی سرد و گرم برای به حداکثر رساندن راندمان خنک‌کننده.
- تهویه هوای گرم از بیرون و سپس کشیدن هوای بیرون از قبل سرد‌شده به داخل تاسیسات برای خنک شدن آن. این روش به‌عنوان کولینگ آزاد شناخته می‌شود و فقط برای تاسیساتی که در آب‌‌وهوای سردتر مستقر شده‌اند به‌کار می‌رود.
- خنک یا گرم کردن تاسیسات تا بالاترین دمای توصیه‌شده و تعویض تجهیزات پس از خرابی. استفاده از این روش ممکن است ارزان‌تر باشد، زیرا اجرای روش‌های دیگر می‌تواند هزینه‌های به مراتب بالاتر از هزینه تعویض تجهیزات را به دیتاسنتر تحمیل کند.
چه دمایی به اندازه کافی سرد است؟
برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد قطعات الکترونیکی، باید گرما را از اطراف آن‌ها در تجهیزات ITE حذف کرد. اگر یک سرور بیش از حد داغ شود، منطق داخلی آن برای جلوگیری از آسیب به سرور، آن را خاموش می‌کند.
کمیته فنی ۹.۹ انجمن مهندسان تاسیسات (ASHRAE) (TC 9.9) اقدامات قابل توجهی در زمینه تعیین محیط‌های مناسب برای ITE انجام داده است. به اعتقاد من، نشریات آن‌ها، به ویژه «راهنمای حرارتی برای تجهیزات پردازش داده»، باعث شده است تا مراکز داده از «سردخانه‌های بسیار سرد» مراکز داده قدیمی به سمت دماهای ملایم‌تر تغییر شکل دهند. [یادداشت ویراستار: راهنمای کمیته فنی ۹.۹ انجمن مهندسان تاسیسات (ASHRAE) توصیه می‌کند که ورودی دستگاه بین ۱۸ تا ۲۷ درجه سانتیگراد و ۲۰ تا ۸۰ درصد رطوبت نسبی (RH) باشد تا مطابق با معیارهای تعیین شده توسط سازنده باشد. Uptime Institute همچنین توصیه می‌کند که حد مجاز به ۲۵ درجه سانتیگراد کاهش یابد تا نوسانات، شرایط متغیر در عملکرد، یا جبران خطاهای ذاتی در حسگرهای دما و/یا سیستم‌های کنترل در نظر گرفته شود.]
درک این نکته بسیار مهم است که دستورالعمل‌های TC 9.9 براساس دمای ورودی سرور است، نه دمای داخلی سرور، نه دمای اتاق و مطمئناً نه دمای خروجی سرور. همچنین درک مفاهیم شرایط توصیه شده و قابل قبول اهمیت دارد.
اگر سروری بیش از حد گرم نگه داشته شود، اما آنقدر داغ نباشد که خودش را خاموش کند، عمر مفید آن می‌تواند کاهش یابد. به طور کلی، این کاهش عمر مفید تابعی از دمای بالایی است که سرور تجربه می‌کند و مدت زمان آن قرار گرفتن در معرض آن دما است. ASHRAE TC 9.
سیستم‌ها و فناوری‌های خنک‌کننده فعلی دیتاسنترها
ممکن است یک سرور اختصاصی ایران تهیه کرده باشید و حالا کنجکاوید بدانید از چه سیستم‌هایی برای کولینگ دیتاسنتر انتخابی شما استفاده می‌شود. به‌طور کلی خنک‌کننده هوا و خنک‌کننده مایع دو نوع از محبوب‌ترین خنک‌کننده‌های دیتاسنتر هستند. در ادامه با برخی از این سیستم‌ها بیش‌تر آشنا می‌شویم.
خنک‌کننده هوا
این روش خنک‌کننده برای دیتاسنترهای کوچک‌تر یا دیتاسنترهای قدیمی‌تر که طبقات مرتفع را با طراحی‌های راهروی سرد و گرم ترکیب می‌کنند ایده‌آل است. هنگامی که واحد AC اتاق کامپیوتر (CRAC) یا کنترل‌کننده هوای اتاق کامپیوتر (CRAH) هوای سرد را به بیرون می‌فرستد، فشار زیرین در طبقات مرتفع افزایش می‌یابد و هوای سرد را به ورودی تجهیزات می‌فرستد. هوای سرد هوای گرم را جابه‌جا می‌کند و سپس به CRAC یا CRAH بازگردانده شده و در آنجا خنک می‌شود و دوباره به گردش در می‌آید.
راهروهای هوای سرد و گرم با امکان قرارگیری هدفمندتر دریچه‌های ورودی و خروجی، کارایی سیستم‌های خنک‌کننده مبتنی‌بر هوا را افزایش می‌دهند. این شیوه از مخلوط شدن هوای سرد و گرم جلوگیری می‌کند تا خنک‌کننده CRAC یا CRAH بتواند کارآمدتر کار کند. در دیتاسنترهای معتبر داخلی که سرور مجازی ایران خود را از آن‌ها دریافت می‌کنید، معمولا از این شیوه خنک‌سازی استفاده شود.
همچنین، CRAH کارآمدتر از CRAC است زیرا هوای بیرون را به داخل می‌کشد و به‌جای مبرد، آن را با استفاده از آب سرد خنک می‌کند. یونیت‌های CRAC برای کمدهای دیتاسنترهای کوچک مناسب‌تر هستند زیرا نمی‌توانند با دیتاسنترهایی در سطح سازمانی هماهنگی داشته باشند.
چیدمان راهروهای سرد و گرم
در این چیدمان، کابینت‌ها و رک‌های سرور به‌صورت ردیفی چیده شده‌اند و هر ردیف در جهت مخالف ردیف مقابل قرار گرفته است.
این پیکربندی تجهیزات دارای ورودی سرد و دریچه‌های هوای گرم رو‌به‌روی یکدیگر است که راهروهای متناوب هوای گرم و سرد را ایجاد می‌کند. CRAHها در هر راهرو، هوا را به سمت داخل تهویه یا پمپ می‌کنند تا سیستم خنک‌کننده به‌طور موثر کار کند. هوای گرم از راهروی گرم خارج شده و هوای خنک از راهروی سرد پمپ می‌شود.
برای هدایت بیش‌تر جریان هوا می‌توان درها و دیوارها را به چیدمان اضافه کرد. کابینت‌ها باید تا حد امکان پر باشند تا از فضاهای خالی، شکاف‌ها و منافذ کابلی که می‌تواند منجر به نشت هوای گرم یا سرد به راهروی مقابل شده و در نهایت فشار اضافی را به سیستم خنک‌کننده وارد کند جلوگیری شود.
خنک‌کننده مایع
کولینگ مایع یک فناوری نسبتا جدیدتر است. خنک‌کننده مایع یک سیستم کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه است زیرا می‌توان آن را بر روی دستگاه‌های مستقر در دیتاسنترهایی که به آن بیش‌تر نیاز دارند نصب کرد. مایع در انتقال گرما از منابع ساطع‌کننده‌ی گرما کارآمدتر از هوا عمل می‌کند.
این سیستم کولینگ دیتاسنتر همچنین می‌تواند از تراکم بیش‌تر تجهیزات و مواردی که گرمای بالاتر از حد متوسط تولید می‌کنند (مانند دیتاسنترهای پردازش لبه و با چگالی بالا) پشتیبانی کند. همچنین، شما می‌توانید تجهیزات سرور و زیرساخت‌های موجود خود را با کمک یک ارائه‌دهنده کولوکیشن از محیط سازمان یا شرکت خود به یک دیتاسنتر معتبر با تجهیزات خنک‌کننده و امنیت به مراتب بالاتر منتقل کنید.
دو نوع اصلی خنک‌کننده مایع وجود دارد:
خنک‌کننده غوطه‌وری مایع) در این روش کل دستگاه الکتریکی در سیال دی‌الکتریک درون یک سیستم بسته قرار می‌گیرد. سیال، گرمای ساطع‌شده از دستگاه را جذب و آن را به بخار تبدیل می‌کند، سپس آن را متراکم کرده و به خنک شدن دستگاه کمک می‌کند.
خنک‌کننده مایع تماس مستقیم با چیپ) در این روش، مایع دی‌الکتریک غیرقابل اشتعال با استفاده از لوله‌های انعطاف‌پذیر مستقیما در معرض تماس با تراشه پردازشی یا قطعه‌ای از مادربرد که بیش‌ترین گرما را تولید می‌کند (مانند پردازنده یا تراشه گرافیکی) قرار می‌گیرد. سیال گرما را با تبدیل به بخار جذب کرده و گرما را از طریق همان لوله از تجهیزات خارج می‌کند.
نسل آینده‌ی سیستم‌ها و فناوری‌های کولینگ دیتاسنتر
اگرچه خنک‌سازی مایع هنوز هم نسبتا جدید محسوب می‌شود، اما سایر فناوری‌های خنک‌کننده دیتاسنتر مانند روش‌های خنک‌کننده زمین‌گرمایی، فناوری‌های هوشمندی که از هوش مصنوعی و یادگیری ماشین برای نظارت و مدیریت بهتر کولینگ دیتاسنتر استفاده می‌کنند و خنک‌کننده تبخیری به‌عنوان راهکارهای نوآورانه برای استفاده در آینده در نظر گرفته می‌شود.
استفاده از طبیعت برای خنک کردن دیتاسنترها
در اینجا به چند روش اشاره می‌کنیم که دیتاسنترها می‌توانند با به‌کارگیری آن‌ها با استفاده از طبیعت، تجهیزات خود را خنک کنند:
سرمایش مبتنی بر زمین‌گرمایی
در روش زمین‌گرمایی (Geothermal) از دمای تقریبا ثابت زمین در زیر سطح برای تامین سرمایش استفاده می‌شود. این روش در واقع براساس یک ایده قدیمی است که قرن‌ها پیش برای سرد نگه داشتن غذا استفاده می‌شد و حالا با عصر جدیدی که ما در آن حضور داریم سازگار شده است. در دیتاسنترها، خنک‌کننده زمین‌گرمایی از یک سیستم لوله حلقه بسته با آب یا خنک‌کننده‌ای دیگر که در چاه‌های عمودی زیرزمینی پر شده با مایع انتقال‌دهنده گرما در جریان است استفاده می‌کند.
دیتاسنتر Iron Mountain در غرب پنسیلوانیا، Verne Global در ایسلند و Green Mountain در نروژ برای خنک‌سازی دیتاسنترهای خود از کولینگ زمین‌گرمایی استفاده می‌کنند.
خنک‌سازی تبخیری
در این شیوه که با عنوان خنک‌سازی باتلاقی نیز شناخته می‌شود، آب در معرض هوای در حال حرکت قرار می‌گیرد و افت دما باعث تبخیر شدن آب و تبدیل شدن آن به گاز می‌شود. یک فن هوای گرم دیتاسنتر را از طریق یک پد مرطوب‌شده با آب یا مایع خنک‌کننده به سمت خود می‌کشد و با تبخیر مایع، هوا سرد شده و به دیتاسنتر بازگردانده می‌شود.
این روش هزینه‌ای به مراتب کم‌تر از یک سیستم HVAC از نوع هوا خنک دارد و در آب‌وهوایی با رطوبت پایین بهترین عملکرد را ارائه می‌دهد.
خنک‌کننده خورشیدی
این نوع خنک‌کننده گرمای خورشید را به خنک‌کننده‌ای تبدیل می‌کند که می‌تواند در سیستم‌های کولینگ هوای دیتاسنتر استفاده شود. این سیستم انرژی خورشیدی را جمع‌آوری کرده و از یک فرایند خنک‌کننده حرارتی برای کاهش دمای هوا در یک ساختمان استفاده می‌کند. خنک‌کننده خورشیدی در مناطقی که نور خورشید فراوان است یا دیتاسنترهایی که به دنبال تکمیل سیستم خنک‌کننده فعلی خود با روشی سازگار با محیط زیست هستند مفید است.
KyotoCooling
KyotoCooling در واقع همان روش خنک‌کننده آزاد بهبودیافته است که از چرخ حرارتی برای کنترل جریان هوای سرد و گرم در دیتاسنتر استفاده می‌کند. هنگام چرخش این چرخ، هوای گرم داخلی به بیرون تخلیه می‌شود. سپس هوای بیرون، چرخ و هوایی که به داخل تاسیسات بازمی‌گردد را خنک می‌کند. KyotoCooling برای کار کردن نسبت به سایر سیستم‌های CRAH بین 75 تا 92 درصد انرژی کم‌تری مصرف می‌کند، انتشار دی‌اکسید کربن را کاهش می‌دهد و نیاز به آب در سیستم خنک‌کننده را از بین می‌برد.
این فناوری توسط دیتاسنتر United Airlines در خارج از شیکاگو و دیتاسنتر HP در خارج از تورنتو استفاده می‌شود.
استفاده از فناوری هوشمند برای خنک‌سازی دیتاسنتر
از آنجایی که بسیاری از فناوری‌های جدید کولینگ دیتاسنتر به سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی از سوی صاحبان تاسیسات نیاز دارد، فناوری هوشمند به یک گزینه محبوب تبدیل شده است. دستیارهای هوشمند دیتاسنتر، فناوری‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین می‌توانند به‌طور موثرتری بر تجهیزات نظارت کنند و با اعمال تنظیمات به‌صورت لحظه‌ای از مطلوب بودن درجه حرارت و رطوبت مطمئن باشید.
برای مثال، گوگل برای کاهش تولید گرما و استفاده از سیستم کولینگ از کنترل‌های هوشمند دما بهره می‌برد. این شرکت همچنین از محصول DeepMind AI خود برای کاهش مصرف انرژی راهکارهای خنک‌کننده تا 40 درصد در 18 ماه استفاده کرده است.
ربات‌های خنک‌کننده دیتاسنتر می‌توانند در داخل مرکز حرکت کرده و دما و رطوبت را در کابینت‌های یک سرور خاص نظارت کنند. یکی از چالش‌های نظارت بر دما در کابینت‌ها به‌صورت دستی این است که شرایط به محض باز شدن کابینت تغییر می‌کند. شرکت‌هایی مانند OneNeck IT Solutions یک حسگر کاوش‌گر رباتیک طراحی کرده‌اند که در کابینت‌های استاندارد قرار می‌گیرد.
این ربات بر روی یک ریل تسمه‌ای به سمت بالا و پایین حرکت کرده و داده‌های دمایی را در هر رک جمع‌آوری می‌کند. سپس داده‌ها از طریق بلوتوث به دستگاه‌های متصل منتقل می‌شود تا متخصصان دیتاسنتر بتوانند یک نقشه حرارتی کامل از کابینت را ایجاد کنند.
تقاضای دیتاسنتر به‌صورت تصاعدی افزایش می‌یابد، بنابراین صاحبان زیرساخت و مشتریان آن‌ها باید به دنبال راه‌حل‌های کولینگ کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه باشند. چه گزینه‌های کم‌تر مضر برای محیط‌زیست مانند سرمایش زمین‌گرمایی و کولینگ آزاد را در نظر بگیریم یا در فناوری‌های جدیدتر مانند خنک‌کننده غوطه‌ور در مایع برای سرورهای پرقدرت سرمایه‌گذاری شود، اکثر دیتاسنترها همیشه می‌توانند یک گزینه مناسب را پیدا کنند.
